(57)【要約】 【課題】  従来の金属バネに比べ剛性が高く、十分な押し付け力を得ることが可能な板バネを提供する。また、軽量化の効果も併せて得ることができる【解決手段】  セラミックス粒子に低融点ガラスを無機バインダーとして添加後に成形した成形体を熱処理してプリフォームを得る。このプリフォームに、アルミニウム合金を浸透させて金属基複合材料となした後に、該低融点ガラスの軟化点以上の温度で該金属基複合材料に荷重を加えて所望の板バネ形状として板バネを得る。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金とセラミックス粒子からなり、かつ、低融点ガラスを含む金属基複合材料により構成されてなることを特徴とする板バネ。
【請求項２】
セラミックス粒子に低融点ガラスを無機バインダーとして添加後に成形した成形体を熱処理して得られたプリフォームに、アルミニウム合金を浸透させて前記金属基複合材料となした後に、該低融点ガラスの軟化点以上の温度で該金属基複合材料に荷重を加えて所望の板バネ形状とすることを特徴とする請求項１記載の板バネの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板バネに関するものであり、特に軽量で剛性が高く強い押し付け力を必要とする用途に好適な板バネとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属製の板バネは現在広く用いられている。その材質としては安価な鉄製のもの、ステンレス製のものが良く用いられる。板バネの用途としては、自動車のサスペンジョンや電子部品の固定など、非常に多岐にわたる。
その中で、可動部品や持ち運びする部品の板バネとしては、軽量なアルミニウム合金などが用いられるようになってきている。可動部品としては例えば電着塗装、静電塗装などに用いる塗装用治具などが挙げられ、持ち運びする部品としては携帯無線機用アンテナの給電部などが提案されている（たとえば特許文献1参照）。
【特許文献１】特開平９−３１６５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような軽金属を用いた板バネは、従来の金属に比べ剛性が低く十分な押し付け力を得ることができなかった。また、押し付け力を増加させるためにバネ板厚さを増すと、軽量化の効果が得られなかった。
【０００４】
一方で、軽量で剛性の高い材料としてアルミニウム合金とセラミックス粒子からなる金属基複合材料が知られている。金属基複合材料の作製方法にも種々あるが、強化材であるセラミックスにアルミ合金などの金属を浸透、複合化させる方法が一般的に行われている。こうした製造方法の場合、まず強化材であるセラミックス粉末をプリフォームに成形するため、コロイダルシリカなどの無機バインダーをセラミックス粒子と混合、成形し焼成してプリフォームとする。ところが、こうした製造方法で作製した金属基複合材料は、無機バインダーの融点が高いため、高温で変形させることができず、板バネのような湾曲した形状の製品を作製するのが困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、強化材であるセラミックス粒子をプリフォームに成形するため、無機バインダーとして鉛ガラス、ソーダガラスなどの低融点ガラスを添加し、焼成してプリフォームとすれば、高温で変形させることが可能な金属基複合材料を作成できることを知見し、本発明をなすに至った。
【０００６】
即ち本発明は、（1）、アルミニウム合金とセラミックス粒子からなり、かつ、低融点ガラスを含む金属基複合材料により構成されてなることを特徴とする板バネである。
また、（2）セラミックス粒子に低融点ガラスを無機バインダーとして添加後に成形した成形体を熱処理して得られたプリフォームに、アルミニウム合金を浸透させて前記金属基複合材料となした後に、該低融点ガラスの軟化点以上の温度で該金属基複合材料に荷重を加えて所望の板バネ形状とすることを特徴とする前記の板バネの製造方法を要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による金属基複合材料を板ばねとして使用すれば、従来の金属に比較して軽量・高剛性化を図ることが可能であり、さらに無機バインダーとして低融点ガラスを使用した金属基複合材料であれば、低融点ガラスの軟化点以上の温度で熱処理することにより、所望の形状に変形させて湾曲形状の部品を作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を更に詳しく説明する。
上記で述べたように本発明の板バネは、アルミニウム合金とセラミックス粒子からなり、かつ、低融点ガラスを含む金属基複合材料により構成されてなることを特徴とする板バネ（請求項1）である。
【０００９】
金属基複合材料は、アルミニウム合金（たとえば、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）と、たとえば、酸化アルミニウム、炭化珪素などのセラミックス粒子（粉末でもウィスカーでも良い。）の強化材からなり、アルミニウムの軽量性とセラミックスの高剛性という両方の特徴を有している。したがって、従来の金属に比べ剛性が高く、十分な押し付け力を得ることができる。また、軽量化の効果も併せて得ることができる。本発明で用いるセラミックス粒子としては軽量、高剛性という点で炭化珪素が特に好ましいが、他のセラミックスでもよく、これも本発明に包含される。
また、金属基複合材料は、アルミニウム合金／セラミックス粒子の構成比率を変えることによって、剛性率を変更することが可能であり、用途に応じた材料設計が可能である。例えば、アルミニウム合金／炭化珪素粒子の金属基複合材料では、構成比率を20／80から70／30まで連続的に変更することが可能であり、剛性率を40GPa（密度2.7g／cm3）から110GPa（密度3.0g／cm3）まで選択することができる。すなわち、アルミニウムの剛性率が26GPa（密度2.7g／cm3）、炭素鋼の剛性率が85GPa（密度7.9g／cm3）であることと比較すると、本発明の金属基複合材料が板バネとして良好な高剛性、軽量性を有していることがわかる。
【００１０】
また、本発明の板バネは低融点ガラスを含む金属基複合材料からなる。ここで、低融点ガラスを含む理由は、低融点ガラスの軟化点以上の温度で熱処理することにより、所望の形状に変形させて湾曲形状の板バネを作製できるからである。
【００１１】
また、本発明の板バネは、セラミックス粒子に低融点ガラスを無機バインダーとして添加後に成形した成形体を熱処理して得られたプリフォームに、アルミニウム合金を浸透させて前記金属基複合材料となした後に、該低融点ガラスの軟化点以上の温度で該金属基複合材料に荷重を加えて所望の板バネ形状とすることを特徴とする前記の板バネの製造方法（請求項2）によって得られる。
【００１２】
従来の金属基複合材料の製造方法の場合、まず強化材であるセラミックス粉末をプリフォームに成形するため、コロイダルシリカなどの無機バインダーをセラミックス粒子と混合、成形し焼成してプリフォームを作製、アルミ合金を浸透、複合化する。こうした製造方法で作製した金属基複合材料は、無機バインダーの融点が高いため、高温で変形させることができず、板バネのような湾曲した形状の製品を作製するのが困難であった。
本発明では、無機バインダーとして鉛ガラス、ソーダガラスなどの低融点ガラスを使用してプリフォームを作製しているので、ガラスの軟化点以上の温度で荷重を加え変形させ所望の板バネ形状を得ることができる。
【００１３】
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
（１）金属基複合材料の作製
［実施例１］
セラミックス粒子としては、市販の炭化珪素粉末を用いた。炭化珪素粉末の粗粒（信濃電気精錬社製、平均粒径５０μm）60体積部と微粒（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μm ）40体積部に無機バインダーとして珪酸ソーダガラス（JIS規格K1408、3号）10重量部を混合し、イオン交換水を30重量部加えてスラリーとし、これをフィルタープレス成形した後、大気中で300℃の温度で熱処理し、炭化珪素の充填率が70体積%のプリフォームを得た。
次に得られたプリフォームとアルミニウム合金（JIS規格、AC8A合金）を窒素雰囲気中で900℃の温度で24時間保持して、溶融アルミニウム合金をプリフォームに浸透させて金属基複合材料を作製した。
【００１４】
［実施例２］
市販の炭化珪素粉末の粗粒（信濃電気精錬社製、平均粒径50μm）60体積部と微粒（信濃電気精錬社製、平均粒径10μm ）40体積部に無機バインダーとして硼酸鉛ガラス（PbO75％）3重量部を混合し、イオン交換水を40重量部加えてスラリーとし、これをフィルタープレス成形した後、大気中で400℃の温度で熱処理し、炭化珪素の充填率が70体積%のプリフォームを得た。
次に得られたプリフォームとアルミニウム合金（JIS規格、AC8A合金）を窒素雰囲気中で900℃の温度で24時間保持して、溶融アルミニウム合金をプリフォームに浸透させて金属基複合材料を作製した。
【００１５】
［比較例１］
市販の炭化珪素粉末の粗粒（信濃電気精錬社製、平均粒径５０μm ）60体積部と微粒（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μm ）40体積部に無機バインダーとしてコロイダルシリカ液（固形分30重量部）10重量部を混合し、イオン交換水を30重量部加えてスラリーを調整した。このスラリーを金型に流し込み、フィルタープレスで脱水して脱型し、大気中で1200℃の温度で熱処理し、炭化珪素の充填率が70体積%のプリフォームを得た。
次に得られたプリフォームとアルミニウム合金（JIS規格、AC8A合金）を窒素雰囲気中で900℃の温度で24時間保持して、溶融アルミニウム合金をプリフォームに浸透させて金属基複合材料を作製した。
【００１６】
（２）評価
得られた金属基複合材料の密度と剛性率を測定した。また、得られた金属基複合材料を研削して5×30×130mmの試験片を作製し、高温での撓み変形試験を行った。具体的には、試験片を2点（スパン100mm）で支持し、中央部に荷重を200g加え、700℃の温度で1時間保持した後、撓みを測定した。
【００１７】
（３）評価結果
無機バインダーとして低融点ガラスを使用して作成した実施例１の金属基複合材料は、剛性率100GPa、密度3.0g／cm3であり、実施例２の金属基複合材料は、剛性率105GPa、密度3.0g／cm3であった。このように本発明の金属基複合材料は、従来の金属である炭素鋼（剛性率85GPa、密度7.9g／cm3）やアルミニウム（剛性率26GPa、密度2.7g／cm3）と比較して、軽量・高剛性という特徴を有しており、板バネとして良好な物性を示した。また、低融点ガラスを無機バインダーとして使用しているので、実施例１の高温撓み試験結果は7.5ｍｍであり、実施例２では、10.2ｍｍと大きかった。このことにより、両方の実施例による金属基複合材料をガラスの軟化点以上の温度で熱処理することより、変形させて湾曲形状の板バネを得ることが可能であった。
【００１８】
これに対して比較例１の金属基複合材料の剛性率は110GPa、密度は3.0g／cm3であり実施例と物性的に遜色がないものの、コロイダルシリカを用いてプリフォームを作製しているため高温撓み試験による変形量は0.0ｍｍであった。したがって、熱処理により比較例の金属基複合材料を変形させて板バネを得ることはできなかった。